超光滑超精密玻璃拋光新技術

　　玻璃拋光歷史悠久，中世紀歐洲制造玻璃鏡時，采用了粗磨、細磨和拋光，我國乾隆玻璃的拋光質量已很高。目前除了平板玻璃、器皿玻璃、藝術玻璃應用傳統的拋光技術外，先進的光學制造、微光學制作、IT及光電子行業(yè)的基片制作均需要超光滑和超精密拋光技術，如平板顯示器(FPD)普通Genii型的粗糙度Ra<20nm，有源矩陣a-SiTFT和P-SiTFT基片玻璃的粗糙度均要求小于5nm。光盤和磁盤基片玻璃要求表面粗糙度為1?6nm，哈勃望遠鏡的輕型主鏡拋光后粗糙度達12nm，這些超光滑和超精密要求，促進了拋光新技術的發(fā)展。

　　超光滑拋光(Super-smoothpolishing)指拋光后表面粗糙度達到納米級，從零點幾納米到幾十納米。超精密拋光(ultra-precisionpolishing)指拋光時精度是分子或原子級的拋除，也就是加工精度為納米級。超光滑拋光和超精密拋光是緊密聯系在一起的，但也略有區(qū)別，超光滑拋光著重于拋光后表面光滑程度，而超精密拋光后的面形達到原設計的精度，兩者均可用表面粗糙度來表示，近代的拋光新技術，使加工后玻璃表面粗糙度顯著降低，如采用浴法(BFP)拋光，玻璃表面粗糙度可達到0.27nm，浮法拋光表面粗糙度可小于0.2nm。

　　拋光新技術可分為接觸式拋光和非接觸式拋光兩大類型。接觸式拋光包括數控小工具拋光、應力盤拋光、浴法拋光(BFP)、浮法拋光、磁流變拋光等。非接觸式拋光主要指離子束拋光、等離子體輔助拋光、電子束拋光和激光拋光。本文除了評述各種方法的特點外，重點闡述離子束拋光與電子束拋光。

　　1.接觸式拋光新技術

　　接觸式拋光是由傳統的拋光盤模式發(fā)展而來，與傳統的拋光相比，采用數字控制(CNC)機床運行、新型的拋光工具(如應力拋光盤、磁流變拋光盤)與納米級超細拋光劑。

　　數控小工具拋光技術是用計算機數控小工具拋光模(拋光頭)對玻璃表面進行拋光，根據所建立的數學模型，通過拋光頭在玻璃表面上的運動途徑，相對應力與駐留時間來控制拋除量，可以制備大中型非球面光學零件。此種拋光設備由拋光機床、實時干涉測量以及數字控制系統(CNC)組成。Itek公司制造的4m數控小工具拋光機，最大拋光玻璃鏡片直徑可達4m，拋光效率明顯提高，時間只用四周，而傳統經典方法達到同樣效果需要1年。Parkm-Elmer采用此技術，拋光望遠鏡鏡片，最終面形粗糙度為12nm。

　　應力拋光盤技術(stressedlappolishing)系米用大尺寸剛性材料作為基盤，在周邊可變壓力作用下，盤的表面可隨時改變所需要的面形。在拋光過程中，安裝于應力盤上驅動器根據計算機發(fā)出的變形盤相對鏡面位置和方向的指令，改變邊緣力矩的大小，使應力盤始終與被拋光玻璃的非球面光學表面相匹配。

　　美國亞利桑那大學Steward天文臺大尺寸鏡片實驗室用應力盤拋光技術加工大尺寸高陡度非球面反射鏡，表面粗糙度達到全口徑20nm。

　　浴法拋光(Bowl-FeedPolishing)簡稱BFP方法[6]，也稱水中拋光法，玻璃和拋光模同時都浸在拋光液的拋光方法，拋光時產生摩擦熱均可擴散到拋光液中，不致使玻璃和拋光工具的溫度升高很多，玻璃的熱變形和拋光模的塑性流動達到極小，從而可用純浙青作為拋光模對玻璃進行拋光，使玻璃表面非常光滑。拋光時采用極細的拋光粉和很低的拋光壓力，拋光最后階段還可用稀釋的拋光液或清水拋光，均有利于降低表面粗糙度。

　　以超細氧化鋁粉為拋光劑，采用浴法拋光工藝，不同品種玻璃拋光后的粗糙度分別為：火石玻璃(F4)0.76nm，硼桂酸鹽玻璃(Duran50)0.16nm，溶融石英玻璃0.34nm。

　　浮法拋光(floatpolishing)[7][8]指拋光模與被拋光玻璃之間保持有厚度數倍于拋光粉顆粒尺寸的液體層；換言之，玻璃在幾微米厚的拋光液薄層上被拋光，拋光模采用硬度比平常用浙青或樹脂更高的材料如錫制成，玻璃與拋光模之間相對速度很大，達1.5?2.5m/s;而壓力為70?500Pa，較一般拋光盤壓力高十幾倍；拋光劑用CnOs或MgO。拋光過程中，拋光劑在離心力作用下，在液體膜內沿徑向不斷碰撞玻璃，以原子或分子級不斷拋除玻璃。

　　Corning公司用浮法拋光對溶融石英玻璃(ULE)和Schott公司的低膨脹微晶玻璃(Zerodur)進行拋光，表面的粗糙度都小于0.2nm。

　　磁流變拋光(magnetorhelogicalfinishing)[9][w]是利用磁流變拋光液在磁場中的磁流變形成柔性拋光模，對玻璃表面進行拋光。磁流變拋光液為黏塑性介質，當按一定的運動規(guī)律，連綿不斷切過玻璃表面時，磁流變拋光液中的拋光粉，借助玻璃與磁流體之間的壓延與剪切變形力實現對玻璃表面的拋除。

　　采用磁流變拋光方法在不到2min的拋光時間，就使玻璃表面面形偏差達到m0，粗糙度小于1mm。20世紀末即已制造生產出商用Q22型計算機控制磁流拋光機供應市場。

　　2.非接觸式拋光

　　非接觸式拋光打破了用拋光工具接觸玻璃表面拋除的模式，采用了高能量密度束流進行拋光或用等離子體輔助拋光。高能量密度束流指高達108?109W/cm2功率密度的離子束、電子束和激光束，其中已實際應用的為離子束。

　　離子束拋光是將惰性氣體如Ar、Kr、Xe及N原子在真空度為1.33Pa條件下用高頻或放電等方法使其成為離子，再用20?25KeV的電壓加速，然后撞擊到放在真空度為1.33x10_3Pa真空室的玻璃表面，從而使玻璃以原子級被拋除。

　　離子束拋光是20世紀末光學玻璃制造上的創(chuàng)新，1990年美國EastmanKodak公司即研究了實用化的計算機控制的Kodak2.5m五束數控離子束拋光系統，將直徑1.3m熔融石英(ULF)鏡面拋光，對直徑1.3m花瓣形離軸非球面鏡加工精度達到0.01^m。

　　由于離子束拋光需要專門的離子拋光機，本文作者曾將國內常見的離子注入機進行離子束拋光，采用束流能量25keV，束流強度150^A/cm2，劑量為1x1014ions/cm2和1x1017ions/cm2的N+離子對鈉鈣玻璃和中鉛玻璃進行離子束拋光，拋光前后玻璃表面形貌用MEF3型金相顯微鏡觀察并拍攝照片。

　　鈉鈣硅酸鹽玻璃用傳統機械拋光的表面形貌如圖1所示，表面存在形狀不規(guī)則、間距不一、深淺不同的溝槽，用劑量1x1017ions/cm2的N+離子拋光后的形貌如圖2所示，拋光溝槽分布比較均勻，溝槽之間的間距縮短，溝槽深度減小。

　　中鉛晶質玻璃用傳統化學拋光后的表面形貌如圖3所示，觀察到玻璃表面仍有殘留氟化物鹽類附著物。圖4為劑量1x1014ions/cm2的N+離子束拋光后的中鉛玻璃表面，殘留的氟化物鹽類已去除，有表面產生離子束轟擊的溝槽，溝槽間距為100?130nm，分布較均勻。當離子束拋光的劑量增加到1x1017ions/cm2時，拋光后的表面如圖5所示，溝槽變得很細而密集，間距只有幾十納米，離子束拋光效果較好。中鉛玻璃的硬度為4240MPa，而鈉鈣玻璃硬度為4935MPa，中鉛玻璃的硬度較低，故離子束拋光效果尤佳。另一方面鈉鈣玻璃中堿金屬含量比中鉛玻璃要高，而堿金屬離子容易被濺射，在同一劑量下進行離子束拋光，鈉鈣玻璃形成的溝槽比中鉛玻璃要寬和深。離子束拋光時，入射的離子轟擊玻璃表面對玻璃原子進行彈性碰撞，入射離子一部分被派射，另一部分注入到玻璃表面中。玻璃表面原子(離子)受離子轟擊后，有一些原子(離子)立即被濺射出來，即首次濺射原子(離子)，還有一些原子被注入離子轟擊后產生位移，位移的原子(離子)再被濺射出來，成為二次濺射原子(離子)。

　　由于離子束拋光主要依靠濺射玻璃表面原子(離子)而拋除的，所以會引起玻璃表面成分、結構和折射率的變化，也會有表面殘余應力的產生，對折射率變化有嚴格要求的玻璃材料，要慎用此方法。

　　電子束拋光是利用高速的電子束經聚集線圈和偏轉線圈后進入玻璃表面一定深度，與表面成分中原子核和電子發(fā)生相互作用，其能量傳遞主要通過電子與玻璃表面層成分中原子碰撞，所傳遞能量以熱能的形式傳遞給表面原子，使玻璃表面溫度迅速升高，達到軟化點以上熔融溫度，由于表面張力作用形成自由表面，達到拋光目的。

　　電子束拋光的能量非常重要，能量過高，反而使表面形成缺陷。本文作者采用不同能量脈沖電子束對磷硼酸鹽玻璃進行試驗[15]。電子束能量分別為19.869keV和23.807keV，束流為102?103A/cm2，束流面積750px2，脈沖0.8?2嘩，能量密度1?6J/cm2的電子束與玻璃表面相互作用后的表面形貌顯微照片如圖6和7所示，圖6電子束能量為19.869keV，圖7電子束能量為23.807keV。用Zygo5022-3D激光表面粗糙度測定儀測出電子束能量19.869keV與玻璃作用后，玻璃表面粗糙度僅為幾個納米，而電子束能量23.807keV與玻璃作用后玻璃表面粗糙度高達200nm，再結合顯微照片來對比，充分說明電子束能量密度過大，與玻璃表面作用時，能量沉積太大，玻璃表面加熱和冷卻過快，導致Griffith裂紋進一步擴展，產生樹枝狀交叉裂紋，顯微硬度也有所下降，顯然高能量電子束并不適合玻璃拋光。

　　激光拋光也是利用高能量密度激光束輻照玻璃，導致玻璃表面瞬時熔融，由于熔融玻璃表面張力作用，使表面光滑平坦。為了防止玻璃表面冷卻過快產生永久應力，還需要采用微波加熱。激光波長為10.6^m易被玻璃吸收，激光器功率為200W，束斑直徑8mm。輔助加熱用微波功率2kW，頻率2.45GHz。用紅外溫度計測量玻璃表面和玻璃體內溫度。

　　當玻璃轉變溫度Tg為455°C，拋光時控制表面溫度為700°C，嚴格控制表面溫度和內部溫度的相差值，防止產生永久應力。拋光時玻璃樣品旋轉，激光作x-y方向掃描，并根據紅外測量出的表面溫度來控制激光的加熱。拋光時間很短，從幾秒到幾十秒，拋光質量很高，可達到光學表面質量。等離子體輔助拋光(?人。均[17]是在等離子體激勵下的化學反應而拋除玻璃表面，實質上是一種化學拋光，與傳統化學拋光不同的是反應物和生成物均為氣體，而且是在射頻(rf)激勵下生成活性粒子體，此活性粒子體與玻璃表面成分反應，生成易揮發(fā)性氣體而排出，達到表面拋光的目的。

　　石英玻璃可用CF4為拋光氣體，拋光時與玻璃反應產生SiF4與C02，在真空下進行，不產生機械應力，不會產生亞表面破壞，拋光球面和非球面難易程度相當。Perkin-Elmer公司已用此方法拋光了小0.5~1m非球面光學玻璃鏡片，粗糙度小于0.5nm。

　　3.結論

　　為了達到超高精密度和極低粗糙度的要求，無論接觸式和非接觸式拋光均首先建立數學模型，再確定計算工具的路線及駐留方程，由計算機控制的執(zhí)行元件進行加工，并及時進行表面測量再與預期面形進行比較，然后反饋到計算機，修正拋光路線與駐留方程，通過操作控制帶由執(zhí)行元件進行加工，如此周而復始地循環(huán)直到預期的面形精度與粗糙度為止。

　　除了計算機系統以外，拋光面形的測量非常重要，只有測量精確，才能精密拋光，近年來發(fā)展了利用相移技術和外差干涉技術，測量超光滑表面的粗糙度，如美國WYK0公司的T0R0-3D，美國ZYZ0公司的MAXIM_3D和ZYG0-5500。掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)也可用來測量表面粗糙度。

　　在接觸式拋光技術中，磁流變拋光(RMF)特別適合于非球面等復雜面形，拋光時間比較短，可在幾分鐘內使拋光面形偏差值達到，粗糙度小于1nm，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　非接觸式拋光中，除激光外，離子束、電子束以及等離子輔助拋光，樣品均需要放在真空室內，優(yōu)點是減少了污染，缺點是拋光產品尺寸受到真空室大小的限制。

　　電子束和激光拋光均系瞬間加熱表面拋光，拋光時間僅有幾秒到十秒，加熱和冷卻速度更快，使玻璃表面急熱急冷而易開裂，同時也易使表面輕微變形，為防止急熱急冷，可采用微波輔助加熱等措施，但亞表面層結構變化很難防止，加之設備復雜，影響了推廣。

　　離子束為濺射拋光，表面不會變形和產生嚴重應力和裂紋，不需要輔助加熱，只要控制離子束的能量和劑量，可將離子束對玻璃表面影響降到最低。國外已建造大型離子束拋光機，特別適用于非球面及花瓣形等復雜面形。

　　離子束拋光和等離子體輔助拋光均為非接觸式拋光技術的發(fā)展方向。